Введение
Развитиетехнологии и оборудования сварочных процессов идет в настоящее время достаточнобыстрыми темпами. Это вызвано все более возрастающей потребностью созданиякачественных неразъемных соединений как из однородных, так и разнородныхматериалов.
Сварка –технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредствомустановления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном илиобщем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действием того идругого.
Сварка –экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степенимеханизированный технологический процесс, широко применяемый практически вовсех отраслях машиностроения.
Физическаясущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомамиили молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образованиясоединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемыхповерхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов;энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействиедруг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые смежатомным расстоянием в свариваемых заготовках.
Указанные условияреализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия наматериал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластическойдеформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видоввоздействия. В результате поверхностные атомы металлов и кристаллическихнеметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовоккристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединениечастей молекулярных цепей.
В зависимостиот формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все видысварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.
Ктермическому классу относят виды сварки, осуществляемые плавлением сиспользованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая,электроннолучевая, лазерная, газовая и др.).
Ктермомеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованиемтепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).
Кмеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованиеммеханической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная идр.).
1. Выборматериала для изготовления изделия
Условияработы лопаток и требования к материалу
Дляизготовления диафрагменной лопатки предоставлена высокохромистая жаропрочнаясталь мартенситно-ферритного класса 12Х13 (ГОСТ 18968–73). Подбор данной сталиосуществлен из условий эксплуатации изделия. Лопатки являются наиболее нагруженнымидеталями паровых турбин. Лопатки паровых турбин подразделяются на направляющие(диафрагменные), закрепленные в статоре и рабочие – на роторе. На диафрагменныелопатки в основном действуют только аэродинамические силы, которые являются нестационарными, а переменными. Воздействующая среда, которая направляетсядиафрагменными лопатками, достигает температуры 400 0С. При этомимеет место неравномерный нагрев лопаток. Из-за взаимного воздействияприложенных сил материал лопатки испытывает меняющиеся по значению, но всегдавысокие напряжения, что приводит к возникновению вибрации усталости материала.
Поверхностилопаток подвержены химическому воздействию среды. Химическая агрессивностьводяного пара на материал лопаток особенно сильно проявляется с повышениемначальной температуры, что приводит к постепенному разрушению материала, вызванногоего эрозией. Поверхности лопаток (как на роторе, так и в диафрагме) последнихступеней паровых турбин при этом разъедаются со стороны входной кромкичастицами воды влажного пара. Поэтому для лопаток применяют высококачественныематериалы. От таких материалов требуют прочности при высокой температуре,высокой пластичности, сопротивления ползучести, коррозионной стойкости, высокойусталостной прочности, высокого декремента затухания.
Классификациясталей по структурному признаку
Номенклатура марок сталей, применяемых в настоящее время в различныхотраслях промышленности для изготовления сварных конструкций, исключительноширока, а все возможные сочетания из их разнородных соединений практическитрудно перечислить. Поэтому для упрощения задачи классификации и выборанаиболее распространенные (преимущественно стандартизованные) марки сталей,разделены исходя из структурного состояния на три основных класса:
1. – перлитные (углеродистые и низколегированные);
2. – ферритные и ферритно-мартенситные (высокохромистые);
3. – аустенитные и ферритно-аустенитные (хромоникелевые).
Каждый класс разделен, в свою очередь, на группы, в которую включеныстали с относительно близкими свойствами, свариваемостью и служебнымихарактеристиками.
Разделение высоколегированных сталей на группы (кислотостойкие, жаростойкие,жаропрочные) произведено в соответствии с их основными служебными свойствами ив некоторой степени условно, так как кислотостойкие стали одновременно являютсяжаростойкими до определенных температур, а жаростойкие являются такжекоррозионостойкими в определенных средах и т.д.
Дляопределения структурного класса сталей часто пользуются диаграммой Я.М. Потакаи Е.А. Сагалевича, которая позволяет полуколичественно определять фазовыйсостав сталей. Наиболее существенным отличием этой диаграммы является то, чтопо осям координат откладываются хромовые эквиваленты ферритообразования (абцисса)и мартенситообразования (ордината), причем последний рассчитывается по степенивлияния всех легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения.
Обоснованиевыбора материала
Теоретически,для изготовления диафрагменной лопатки, при условии выполнения всехвышеперечисленных требований, возможно применение и других материалов.Например, высокохромистые стали того же класса, что и сталь 12Х13, но с другимхимическим составом: 08Х13, 20Х13, 15Х11МФ, 15Х12ВМФ и др.; аустенитные стали свысоким содержанием никеля и марганца: ХН35ВТ, 09Х14Н19В2БР1 и др.; титановыесплавы. При выборе материала, для изготовления любой конструкции,обеспечивающего ее технологичность, необходимо учитывать экономический итехнологический факторы. Учитывая экономический фактор данной задачи, сталь12Х13 является одной из самых дешевых в своем классе высокохромистых сталей, т. к.чем выше степень легирования, тем выше цена стали и степень ее распространенностив промышленности. В химический состав других классов и сплавов входят никель ититан соответственно, которые являются стратегическими материалами, чтообеспечивает им более высокую цену. Поэтому для обоснования выборавысокохромистой стали 12Х13 по технологическому фактору, рассмотрим ещенесколько сталей из этого же класса. Возьмем стали обладающие одинаковымнабором элементов в своем составе: 08Х13 и 20Х13. Химический состав (ГОСТ 5632–72)высокохромистых коррозионно-стойких сталей приведены в таблице 1. Механическиесвойства – таблица 2.
Таблица 1.Марка стали Класс
Содержание элементов
(остальное Fе), % С Сr 08Х13 Ферритный
Таблица 2.Марка стали Механические свойства Число твердости по Бринеллю НВ, МПа
Предел текучести s0,2, МПа
Предел текучести sв, Мпа
Относительное удлинение d5,% Относительное сужение j, %
Уд. вязкость aн при 200С, Н м/см2 Не менее 08Х13 412 588,6 20 60 98,1 1834–2129 12Х13 539–686,7 637,7 18 45 58,9 1933–2502 20Х13 568,5–716 755,4 15 50 58,9 2226–2639
Исходя изэтих данных, охарактеризуем каждую сталь в отдельности, а затем сделаем вывод.Для каждой из этих сталей свойственны одни и те же дефекты, вызванныевоздействием сварочного процесса, но проявляются они в разной степени. Главнымисреди них являются склонность к охрупчиванию и к образованию холодных трещин(для 08Х13 – ХТ нет).
В случаях,когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовыеи структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема изначительным ухудшением пластических свойств, трещины могут возникать в областинизких температур – ниже 200˚С. Подобные явления имеют место присварке закаливающихся сталей. Такие трещины называются холодными. Они могутбыть поперечными (в шве, чаще в околошовной зоне), а также располагатьсяпараллельно границе сплавления (отколы). Процесс образования холодных трещинопределяется двумя факторами:
1) величинойи характером напряжений и деформаций, возникающих вследствие неравномерногонагрева, фазовых и структурных превращений в металле;
2) свойствами(главным образом пластичностью) металла в температурном интервале образованияхолодных трещин.
Насыщениеметалла сварного соединения водородом способствует образованию трещин, так какотрицательно влияет как на первый, так и на второй фактор.
Появлениехолодных трещин связывают с фазовыми и структурными превращениями, продуктамикоторых являются структуры с низкими пластическими свойствами (в нашем случаемартенсит).
По сравнениюс другими структурными составляющими, мартенсит характеризуется высокойтвердостью (НВ 500–600), весьма малой пластичностью и повышенным удельнымобъемом. В связи с этим структурные превращения аустенит – мартенсит связаны снаиболее значительным увеличением объема.
Обеспечитьстойкость металла шва и, в особенности, околошовной зоны к образованию трещин –основная проблема свариваемости сталей мартенситного и мартенситно – ферритногоклассов. В этом случае для металла шва и околошовной зоны характерно наличиеукрупненных зерен низкоуглеродистого высокохромистого феррита (микротвердость152–164 кГ/мм2) и легированного мартенсита (микротвердость 429–458кГ/мм2).
Легированныймартенсит более пластичен, чем углеродистый, и называется игольчатыммартенситом. Но присутствие в структуре металла последнего все же увеличиваетобщую твердость и хрупкость шва, а также околошовной зоны, заметно снижая ударнуювязкость. Поэтому здесь возможно появление холодных трещин.
Чтобы уменьшитьвозможность появления холодных трещин при сварке закаливающихся сталей,стремятся предупредить образование хрупкой закаленной зоны вблизи шва. Дляэтого выбирают режимы сварки с большой погонной энергией, при которой скоростьохлаждения шва и околошовной зоны уменьшается. В тех же целях применяютподогрев изделия (до температуры 250˚С и выше в зависимости от содержанияуглерода и хрома в стали), замедленное охлаждение изделия после сварки и д. р.
После сваркиобязательна термообработка изделия – высокий отпуск 650˚ – 700˚С. Врезультате отпуска несколько уменьшается прочность металла, а его твердость иударная вязкость достигает исходных величин.
Сталь08Х13используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействиюслабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д.,работающих при температурах до 4000С.
Данная стальобладает ферритной структурой, а следовательно, не имеет превращения g«a и не упрочняетсятермической обработкой. Главный недостаток этой стали – резкое охрупчиваниепосле нагрева выше 1000–11000С. Это объясняется наличием большогоколичества свободного d-феррита, содержание которого зависит отколичества С и Сr. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичногоуменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750–8000С,а перед ней – предварительному подогреву до 150 – 2500С. Позавершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допуститьохрупчивание. Сталь данной структуры после высокотемпературного нагрева подверженаМКК.
Сталь20Х13 используетсядля деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред:воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих притемпературах до 4500С. Структура отожженных сталей представляетсобой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеютудовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока –500Мпа. Прочность увеличивается после закалки и отпуска. Закалку проводят с1050–11000С для растворения карбида хрома. Изделия после закалкиподвергают либо низкому (200–4000С), либо высокому (600–7000С)отпуску. Максимальное сопротивление коррозии стали имеют после низкого отпуска,пониженное, но тем не менее достаточно высокое – после высокого отпуска.Шлифование и полирование поверхности дополнительно повышает стойкость изделий.Отпуск при 400–6000С резко снижает сопротивление коррозии и поэтомуне применяется.
Мартенситныестали после отжига удовлетворительно обрабатываются резанием, горячая обработкаи сварка этих сталей затруднены из-за образования мартенсита. Мартенситувеличивает склонность этой стали к образованию холодных трещин при сварке. Этообъясняется высокой степенью тетрагональности кристаллической решеткимартенсита. При снижении содержания мартенсита вязкость увеличивается, однако,при этом образуется свободный d-феррит, который придает сталям повышеннуюхрупкость. При сварке мартенситных сталей холодные трещины могут наблюдаться впроцессе непрерывного охлаждения при температуре ниже Мн, а также впроцессе выдержки при нормальной температуре.
Сталь12Х13,как видно из табличных данных, занимает промежуточное положение по свойстваммежду 08Х13 и 20Х13, т. к. обладает промежуточной ферритно-мартенситнойструктурой (содержание феррита не менее 10%).
2. Свариваемостьстали 12Х13
Из-за своегопромежуточного положения, сталь 12Х13 обладает лучшей свариваемость среди всехтрех сталей. Это объясняется умеренным содержанием d-феррита. Количество d-феррита увеличивается сувеличением в стали % Сr и уменьшением % С. Формирование значительногоколичества d-феррита в структуре ОШЗ резко уменьшает склонность сварногосоединения к образованию холодных трещин, но увеличивает хрупкость. Количество d-феррита зависит отуровня температуры нагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких кТсолидуса, количество d-феррита может быть подавляющим.Такая структура характерна для участка ЗТВ примыкающего к линии сплавления.Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает сувеличением qп – погонной энергии, которая зависит от выбранных режимов и способасварки.
Так как вовсех сталях содержание Сr остается постоянным, то объем d-феррита зависит от % С. Пониженноесодержание С в стали 08Х13 способствует резкому увеличению содержания d-феррита, а следовательнои высокому охрупчиванию. А высокое содержание % С в стали 20Х13 способствуетувеличению склонности к холодным трещинам, но с низким охрупчиванием. В сталиже 12Х13 эти два негативных момента находятся на удовлетворительном уровне. Кэтому можно добавить, что меньшее содержание С, по сравнению со талью 20Х13,сопровождается увеличением количества феррита и образованием более пластичногомартенсита, а по сравнению со сталью 08Х13, не требуется предварительныйнагрев. Для уменьшения количества закалочных структур и увеличения выделениякарбидов после сварки рекомендуется проводить высокий отпуск при Т=650–7000С.
Особенноститермической обработки сварных соединений из сталей феррито-мартенситного класса
Термическаяобработка сварных соединений из высокохромистых сталей производится с целью:
1) снятиеостаточных сварочных напряжений при необходимости сохранения точных размеровизделий;
2) обеспечениястойкости против межкристаллической коррозии при эксплуатации в агрессивныхсредах;
3) повышениежаропрочности и стойкости против локальных разрушений при эксплуатации вусловиях высоких температур.
4) обеспечениеуменьшения количества закалочных структур и увеличения выделения карбидов.
Учитывая высокуюсклонность к закалке нержавеющих феррито-мартенситных сталей, содержащихуглерода 0,1% и более, после сварке необходим высокий отпуск в интервале температурот 650 до 7000С ºС.
3. Выборспособа сварки и его основные параметры
Параметрывыбора способа сварки
При выбореспособа сварки для изготовления сварной конструкции на предприятии необходиморуководствоваться следующими условиями:
– экономическаяцелесообразность,
– технологичность,
– наличиенеобходимого оборудования,
– наличиеквалифицированных кадров,
– экологичностьи безопасность.
Подтехнологичностью способа понимается возможность создавать сварное соединение,удовлетворяющего требованиям к нему, на современном оборудовании, удобном вэксплуатации и обслуживании и наиболее эффективном в экономическом отношении.Технологичность способа понятие относительное и зависит от производственныхусловий.
Исходя изусловий, существующих на предприятии, где изготавливается диафрагменнаялопатка, наиболее приемлемым является способ электронно-лучевой сварки.
Общаяхарактеристика электронно-лучевой сварки (ЭЛС)
Электронно-лучевоевоздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, кактехнологическое направление в области их обработки интенсивно применяется впоследнее время. Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит втом, что кинетическая энергия сформированного в вакууме тем или иным способомэлектронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую взоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии в лучевелики, то практически возможно получение всех видов термического воздействияна материалы: нагрев до заданных температур, плавления и испарения с оченьвысокими скоростями.
Электронно-лучеваятехнология развивается в основном в трех направлениях: плавки и испарения ввакууме, сварки и прецизионной обработки.
Для сваркиметаллов создано оборудование трех классов: низко-, средне-, и высоковольтное,охватывающее диапазон ускоряющих напряжений 20–150 кВ. мощность установоксоставляет 1–120 кВт и более при максимальной концентрации энергии 105-106Вт/см2.Электронно-лучевые установки мощностью до 30 кВт позволяют решить большинствосварочных проблем.
Электронно –лучевое воздействие в диапазоне плотностей энергии 105-106Вт/см2характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого проплавления ссоотношением глубины шва к его ширине 10:1 и более. При этом электронный лучфокусируется на площади диаметром менее 0,001 см, что позволяет получитьбольшую удельную мощность. При использовании обычных сварочных источниковтеплоты (дуги, газового пламени) металл нагревают и плавят за счетраспространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зонырасплавления в сечении приближается к полукругу F2. при сварке электроннымлучом теплота выделяется непосредственно в самом металле F1, причем наиболееинтенсивно на некоторой глубине под его поверхностью. (рис. 1).
/>/>/>/>/>1,5 мм
/>
F2 F1
15/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>0,5
Рис. 1.Кинжальное проплавление при ЭЛС; F2 и F1 – сечения швов при дуговой электроннолучевойсварке
Незначительнаяширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформациюзаготовок. Кроме того, за счет вакуума обеспечиваются зеркальная поверхностьсоединения и дегазация расплавленного металла. При этом минимальная толщинасвариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.
Электронныйлуч представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большойскоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударенииэлектронного потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов переходитв тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударенияможет достигать 5000–6000 оС. Электронный луч образуется за счетэмиссии электронов с нагретого в вакууме 133*(10-4-10-5) Пакатода 1 и с помощью электростатических и электромагнитных линз 4 фокусируетсяна поверхности свариваемых материалов (рис. 2).
/>/>/>/>1
/>/>/>/>/>2/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>3/> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>4/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>/>/>5
/>/>/>/>/>/>/>/>/>6/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рис. 2.Схема установки для ЭЛС
В установкахдля электронно-лучевой сварки электроны эмитируются на катоде 1 электроннойпушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно закатодом; ускоряются под действием разницы потенциалов между катодом и анодом 3,составляющей 20–150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляютсяспециальной отклоняющей магнитной системы 5 на обрабатываемое изделие 6. Наформирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катодупотенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (до 5*105кВт/м2и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единицампер). При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется сварной шов.Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющихсистем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного лучапоперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным металлом ирегулировать тепловое воздействие на металл.
Достоинстваэлектронно-лучевой сварки (ЭЛС)
Электронныйлуч успешно применяется в машиностроении для сварки изделий извысоколегированных сталей, в частности из высокохромистых коррозионно-стойкихсталей (12Х13). Это объясняется рядом достоинств ЭЛС при сварке этих сталей:
1. Минимальная деформациясвариваемого изделия, т. к. поток электронов внедряется в свариваемоеизделие на всю глубину проплавления, что обеспечивает получение минимальнойметаллоемкости сварочной ванны. Это обеспечивается возможностью концентрациибольшой мощности в электронном луче и управления ею в широких пределах всочетании с высоким вакуумом в рабочем объеме.
2. Высокие физико-химическиехарактеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключитьпоследующую механическую обработку.
3. Относительно высокая погоннаяэнергия при сильной степени ее концентрации, т.е. энергия, вводимая в участоксварного соединения за определенный промежуток времени. При этом достигаетсявысокая скорость кристаллизации металла сварного шва и минимальное термическоевоздействие сварочного нагрева на основной металл в ОШЗ (локальность сварочногонагрева).
Применительнок стали 12Х13 необходимо отметить то, что последний пункт имеет к ней особоезначение. Количество d-феррита в этой стали зависит от уровня температурынагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких к Тсолидуса,количество d-феррита может быть подавляющим. Такая структура характерна дляучастка ЗТВ примыкающего к линии сплавления. Ширина этого участка мало зависитот температуры подогрева, но возрастает с увеличением qп – погонной энергии,которая при ЭЛС велика, но в то же время одновременно уменьшается склонностьстали к холодным трещинам.
Основныепараметры электронного луча в непрерывном и импульсном режимах
Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе обработки,являются:
- токлуча I,
- ускоряющеенапряжение U,
- токфокусирующей системы Iф,
- рабочеерасстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхностисвариваемой детали) l,
- скоростьперемещения электронного луча V,
- уголсходимости луча a.
Кроме основных параметров, существуют другие количественные показателиЭЛС:
1. Мощность электронного луча
(Вт) q= IU.
2. При заданном рабочем расстоянии l, токе фокусировки Iфи мощности сварки можно определить диаметр электронного луча dи, следовательно,удельную мощность q2 (Вт/см2), которая является одним изопределяющих параметров процесса:
q2 = IU/pd2/4.
3. Погонная энергия (кал/см)
Q = 0,24IU/V
не является определяющим параметром, так как приэлектронно-лучевой обработке в зависимости от величины удельной мощности q2, при одинаковой погоннойэнергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки.
При воздействии в импульсном режиме средняя мощность (Вт)
qи = IUft,
где I – величина тока в импульсе, А; f – частота следования импульсов,Гц; t– длительность импульса, с.
4. Скорость обработки в импульсном режиме (см/с)
V = B (1-k)/(t-tп) = B (1-k) f,
где tп – время паузы между импульсами, с; k – коэффициент перекрытияточек (обычно k= 0,5 – 0,9); В-диаметр зоны обработки (точки).
5. Шаг точек (см) S = V(t+tп), скорость обработки
V= S/(t+tп),
6. Параметром, характеризующим соотношения длительности импульса ивремени паузы в импульсном режиме, является скважность цикла
G= t/(t+tп),
7. Наиболее существенным и одновременно наиболеетрудноопределяемым параметром электронного луча является его диаметр. При заданныхплотностях тока эмиссии с катода, температуре катода и сферической аберрациилинзовой системы пучок электронов с максимальным током может быть сфокусированв пятно минимального диаметра.
d = S0(I/U)3/8,
где S0– постоянная электронно-оптической системы, вычисляемая эмпирически.
8. Разряжение (мм. рт. ст., Па).
9. Частота автоколебаний: f » Vсв/d.
4.Исследование влияния основных параметров сварки на форму шва и качествосварного соединения
Влияние тока электронного луча на глубину проплавления металла
С целью определения зависимости величины сварочного тока оттолщины соединяемых деталей была проведена серия экспериментов. Сварку выполнялис помощью электронно-лучевой установки «Луч-4» на образцах из нержавеющейстали. Полученные зависимости при разных скоростях сварки и при общих остальныхпараметрах (U= 30 кВ, l= 100 мм, Iф = 100мА).
Из представленных графиков можно сделать вывод, что при увеличениитока электронного луча, глубина проплавления тоже увеличивается.
Влияние удельной мощности электронного луча на геометрию зоныпроплавления
В связи с тем, что энергетический баланс процессаэлектронно-лучевой сварки близок к аналогичному балансу при дуговой сварке,связь параметров электронного луча с характеристиками зоны проплавления можнодать в виде уравнения для секундного объема плавления металла:
0,24 IUhиhт = rVFпрSм, (1)
где Fпр– площадь проплавления, см2; Sм = (сТпл + Lпл) – теплосодержание жидкогометалла при температуре плавления, кал/г.
Из этого уравнения следует, что чем выше погонная энергия Q = 0,24 IU/V, тем больше площадьпроплавления. Это действительно справедливо для процесса дуговой сварки,который в большинстве случаев осуществляется при q2
Эффективность процесса проплавления металла электронным лучомопределяется величиной теплового КПД hпр= hиhт, где hи – эффективный; hт – термический КПД. Величинаэффективного КПД hи при воздействии луча с образованием канала ввеществе практически приближается к единице. При оценке эффективности процессапроплавления существенную роль играет величина термического КПД.
Для использования в инженерных расчетах в уравнениях (1) должнабыть учтена удельная мощность электронного луча q2.С этой целью произведеныэксперименты по электронно-лучевой сварке с постоянной погонной энергией, норазной степенью фокусировки (разной удельной мощностью). Сварку выполняли спомощью электронно-лучевой установки ЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М наобразцах из нержавеющей стали размером 500 х 80 х 20 мм.
В первой серии опытов образцами служили две пластины толщиной 10 ммкаждая, сварку выполняли встык с зазором. Во второй серии в качестве образцовиспользовали пластины толщиной 20 мм.
В процессе сварки через каждые 60 мм длины шва изменялифокусировку электронного луча на 4 мА в диапазоне токов фокусировки от 76 до100 мА. Таким образом, концентрация мощности при постоянной погонной энергии впроцессе наложения сварного шва постепенно увеличивалась, а после достижениямаксимума уменьшалась. Рабочее расстояние сохранялось постоянным h= 90 мм (см. табл. 3).
Анализ макрошлифов и очертаний зон проплавления показал, что припостоянном значении погонной энергии можно в широком диапазоне изменять геометриюпроплавления с помощью только одного параметра режима сварки – степенифокусировки электронного луча. При этом очертание зоны проплавления изменялосьот полукруглого до кинжального, а при больших отрицательных значениях степенифокусировки переходило в «клыкообразное». Опыт показал также, что максимумуглубины проплавления соответствует минимальная ширина шва. Зависимость глубиныпроплавления Н от степени фокусировки электронного луча DIф приведена на рис. 5.Под степенью фокусировки DIф понимают алгебраическую разность токов магнитнойлинзы при сварке и фокусировке на малом токе луча (2–4 мА): DIф = ±(Iф – I0) – За нулевую точкуотсчета принят ток фокусировки Iф = 88 мА.
Характер кривой Н= f(DIф) (рис. 4) Н, свидетельствует,что степень фоку – мм сиповки, соответствующая максимальному проплавлению на данномрежиме, зависит от тока луча: с уменьшением тока луча до величины, обеспечивающеймаксимальное проплавление, DIф стремится к нулю.
Таблица 3. Характеристика экспериментальных очертаний зон проплавленияПараметр Условный индекс шва 1 2 3 4 5 6 7
Ток фокусировки Iф, мА. 76 80 84 88 92 96 100
Степень фокусировки DIф, мА. -12 -8 -4 +4 +8 +12
Коэффициент формы шва,
Кф = Н/В. 2,11 4 2,45 1,46 1,0 0,72 0,56 Экспер-ная ширина зоны проплавления, мм 24 22 21 20,6 32 47 59 Опыт Ток фокусировки, мА 72 76 80 84 88 92 96 100 №1
/>/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Влияние изменения рабочего расстояния пушка-деталь на геометриюзоны проплавления
Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенноувеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и приэлектронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением.
С целью определения влияния заглубления фокального пятна нагеометрию зоны проплавления при экспериментах на электронно-лучевой установкеЭЛУ-9Б с электронной пушкой ЭП-60/10М на образцах из нержавеющей стали размером500 х 80 х 20 мм сварку осуществляли с переменной рабочей дистанцией Н.
После сваркичетырех швов, полученных при одинаковой погонной энергии на различных рабочихдистанциях пушки и при постоянной степени фокусировки во всех случаях DIф= 0, оказалось, что площади проплавленияявляются эквивалентными. Такой факт имеет большое практическое значение, таккак позволяет сохранять неизменную форму проплавления на различных рабочихдистанциях электронной пушки, находящихся в расчетных (паспортных) пределах дляданной электронно-оптической системы.
Влияниеускоряющего напряжения на геометрические характеристики проплавления
Экспериментальныеданные (рис. 5.) показывают, что ускоряющее напряжение существенно влияетна глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равныхусловиях глубина проплавления увеличивается.
Связано это суменьшением рассеяния электронов пучка на атомах пара при повышении ускоряющегонапряжения. Действительно, например, при U = 30 кВкоэффициент поглощения a = 2,4*106/U2 = 2,67*103 см2/г,а при U = 100 кВ a = 2,4*102 см2/г,т.е. уменьшается более чем на порядок. Таким образом, повышение ускоряющего напряженияобеспечивает большую кинетическую энергию электронов и увеличивает пробегэлектронов в парах металла.
/>/>/>/>/>/>/>/>/>Н, мм
/>2
/>3
/>24
/>/>/>/>16
/>1
8
0 30 60 90 110 I, мА
Рис. 5.Зависимость глубины проплавления от тока луча у нержавеющей стали при V = 0,3 см/с:1 – U = 30кВ, 2 – U = 60кВ, 3 – U = 100кВ
Экспериментыпроводились на ЭЛУ при давлении в рабочей камере 5*10-5 – 1*10-4 мм рт. ст.
Аналогичнымобразом подтвердилась зависимость глубины проплавления от мощности сварки, вкоторой происходит одновременное увеличение обоих параметров.
При постояннойобщей и удельной мощности и радиусе электронного луча rе была полученаэкспериментальная зависимость глубины проплавления от скорости сварки иускоряющего напряжения (см. рис. 6).
/>/>/>/>/>/>/>Н, мм
/>
/>60
/>/>3
/>
/>40
/>2
/>30
/>1/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>10
/>0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с
Рис. 6.Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения: 1– U = 30 кВ, 2 – U = 63 кВ, 3 – U = 100 кВ.
Всевышеперечисленные экспериментальные зависимости сохраняют свою суть при ихтеоретическом исследовании. На основании этих закономерностей можно написатьзависимость глубины проплавления и ускоряющего напряжения:
Н @ />. (см. рис. 7).
h/h (30 кВ), отн. ед.
/>2,0
1,6
1,4
1,0
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>20 40 60 80 Uуск, кВ
Рис. 7.Теоретическая зависимость глубины проплавления от ускоряющего напряжения припостоянных общей мощности и удельной мощности.
Исследование второстепенных параметров ЭЛС
Влияние параметров электронного луча на его диаметр
Экспериментально доказано, что с увеличением расстояния до объектаобработки диаметр электронного луча возрастает линейно. Это можно проследить поосциллограмме, представленной на рис. 8.
/>
/>/>180
/>0,4
/>
/>/>140
/>0,2
/>
/>100
/>0
/>-0,1 0,1
/>Iф=f(l)
/>4
/>3
/>2
/>1
Рис. 8. Изменение диаметра луча d, тока фокусировки Iф электронно – лучевой установкитипа Луч-4 в зависимости от расстояния lот объекта обработки дляслучая U= 30 кВ = const; 1-I = 35; 2–60; 3–80; 4–100 mA.
Пользуясь уравнением прямой, можно написать выражение для диаметралуча: d= d+kl. Коэффициенты dиkв этом уравнении можно определить,построив соответствующие зависимости d0 = f(I), k= f(I).
Зависимость диаметра луча от тока см. на рис. 9.
/>/>/>/>/>/>/>/>мА
/>/>120
/>100
/>80
/>60
/>40
/>20
Рис. 9. Зависимость диаметра луча от тока при постоянномускоряющем напряжении U = 30 кВ (для работы в режиме сварки)
Экспериментальная проверка по глубине проплавления некоторых металловпри воздействии электронного луча, формируемого электронно-оптической системойтипа Луч-4 на разных расстояниях l при одних и тех же параметрах луча, показывает,что глубина проплавления аналогично диаметру уменьшается с увеличениемрасстояния до объекта сварки.
Установлено, что распределение плотности тока по радиусу луча являетсяГауссовым:
j = jm exp(-r2/re),
где r – текущее значение радиуса луча; re – радиус луча на уровне jm/e (нормальный радиус); jm – максимальное значениеплотности тока.
Глубина пробега электронов в твердом теле
Максимальную глубину пробега электронов d в твердом теле при ЭЛСчаще всего определяют по формуле Шонланда
d = 2,35*10-12U2/r.
Где U – ускоряющее напряжение, В; r – плотность, г/см3;d– глубина проникновения, см.
Экспериментально и теоретически установлено, что максимум энерговыделенияпо глубине пробега находится под поверхностью. На рис. 10 представленаэкспериментальная зависимость изменения глубины проникновения электронов вжелезо от ускоряющего напряжения.
d, м
/>/>/>/>/>/>/>/>/>10-4
/>8
6
4
3
2
/>10-5
8
6
4
3
/>10-6
8
6
4
3
/>10-7
0 20 40 60 80 100 120 U, кВ
Рис. 10. Изменение глубины проникновения электронов в железов зависимости от ускоряющего напряжения UТаким образом, с увеличением ускоряющего напряжения (аследовательно, и глубины проникновения электронов) максимум температурыперемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна ситуация, когдаповерхность материала не успевает нагреться, хотя на глубине (в максимумеэнерговыделения) достигается температура кипения.
На характерраспределения температурного поля в зоне электронно-лучевого нагревасущественное влияние оказывает отношение диаметра луча к глубине пробегаэлектронов. Установлено, что, например, обработка материала (плавление ивыброс) эффективна только при условии d>2d, т.е. использованиеочень тонких пучков электронов затруднено.
Разряжение
Одним из параметров ЭЛС является степень разряжения (мм. рт. ст.,Па). В большей степени этот параметр зависит от характеристик, обеспечиваемых вЭЛУ.
ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучомв вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий.Объем камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотенкубических метров. Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой,формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (» 10-3 Па), таки до низкого (» 1 – 10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электроннойпушки до 10-3 Па.
Даже в низком вакууме » 1 Па содержаниекислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтомупри ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна. В вакууме электронныйлуч сохраняет свою удельную мощность, т. к. в нем не происходит рассеяниеэлектронов вследствие отсутствия атомов и молекул атмосферы.
Частотаавтоколебаний
Для ЭЛСхарактерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебанияфизических параметров, характеризующих систему луч – вещество, а именно: потокапара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п. из зонывоздействия луча. Существует критическое значение потока энергии длявозбуждения колебаний: если q2 > q*2, то колебаниявозникают, если q2
При нагревевещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторогокритического значения, отмечают существенные особенности в характере изменениятемпературы поверхности: она не стремится к постоянному значению, но колеблетсяотносительно некоторого среднего значения. Эта закономерность обусловленавозникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.
Регистрацияхарактеристик автоколебаний дает новые возможности для построения системконтроля и регулирования процесса ЭЛС.
В процессе ЭЛС лучнадвигается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее наглубину Н за время t, т.е. периодически с частотой f » Vсв/d углубляется вметалл (периодическое «строгание» передней стенки).
Таким образом, приформировании сварного шва наблюдаются два основных типа периодическихпроцессов: периодическое испарение по мере углубления электронного луча вметалл (с частотами порядка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкогометалла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» передней стенки (счастотами порядка единиц и сотен герц). В литературе также отмечены плазменныеколебания (с частотами порядка 106 Гц). Зависимость амплитудыколебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рисунке11.
/>/>/>А
/>жидкость
пар
плазма/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
101 103105 107 f, Гц
Рис. 11.Зависимость амплитуды от частоты автоколебаний для различных процессов в каналепри ЭЛС.
Специфическиедефекты сварных швов при ЭЛС
Критическоеизменение некоторых параметров при ЭЛС с несквозным проплавлением можетпривести к появлению дефектов в сварном соединении. Такими дефектами в основномявляются: не заполненные металлом полости размером до 5 – 10 мм и длинойдо 20 – 30 мм и периодическое несплавление корня шва.
Это объясняетсятем, что давление пара в канале прямо пропорционально удельной мощности луча, апри одной удельной мощности можно получить разную глубину проплавления, т. к.чем меньше скорость, тем больше глубина проплавления. При правильном подбореудельной мощности, мощности и скорости сварки давление пара в канале отвечаетусловию
Р > (РG + Рs) = rgH + s/r,
где Р – давлениепара в канале; РG – давление, обусловленное весом жидкогометалла; Рs – давление, обусловленноеповерхностным натяжением жидкого металла.
В некоторыхслучаях, на выходе из канала это условие может не соблюдаться, т.е. возможнозахлопывание канала жидким металлом и образование полости (рис. 12)./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>а б в
Рис. 12.Схема поведения канала при ЭЛС.
а – канал свободенот жидкости; б – отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в-захлопываниеканала
Еще одним частовстречающимся специфическим дефектом при ЭЛС является отклонение каналапроплавления от линии стыка вследствие отклонения луча магнитным полем присварке сталей с остаточной намагниченностью. Для ликвидации этого дефектаприбегают к предварительному размагничиванию свариваемого изделия.
5. Выборпараметров режима сварки для изготовления изделия
Основные параметрыЭЛУ «Луч-4»
Для правильногоподбора параметров режима сварки необходимо основываться на следующих условиях:
- – требуемые геометрические характеристики шва,
- – требуемое качество (прочностное и химическое) шва,
- – технологические возможности ЭЛУ.
Последний пунктявляется важным критерием для подбора параметров сварки, т. к. они должнывходить в предел возможностей данной установки.
Рассмотримосновные параметры ЭЛС типа «Луч-4» в (табл. 5).
Табл. 5. Основныепараметры ЭЛС типа «Луч-4».№ п\п Наименование параметра Норма 1.
Максимальные размеры свариваемого изделия, мм.
Диаметр
Длина
900
840 2. Вакуум, мм рт. ст.
5*10-5 3. Ускоряющее напряжение электронного луча, кВ. 30 4. Ток электронного луча, мА. 450 5.
Ход электронно лучевой пушки, мм. Вдоль камеры
Поперек камеры
575
840 6.
Давление охлаждающей воды,/см2. 2–3 7. Потребляемая электрическая мощность, кВт. 8 8. Режим работы. Полуавтоматический 9. Наблюдение за сваркой. Через иллюминатор 10. Обслуживающий персонал, чел. 2
Исходя из этихнорм можно подбирать параметры, обеспечивающие выполнение первых двух пунктовусловий (см. выше).
Подбор основныхпараметров ЭЛС для ЭЛУ «Луч-4»
Необходимые параметры для проведения процесса сварки:
1. Ускоряющее напряжение U.
2. Скоростьперемещения электронного луча V.
3. Токлуча I.
4. Рабочеерасстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхностисвариваемой детали) l.
5. Токфокусирующей системы Iф.
Выбор ускоряющего напряжения
Экспериментальные данные (рис. 6,7.) показывают, чтоускоряющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличениемускоряющего напряжения при прочих равных условиях глубина проплавленияувеличивается. Это увеличение происходит пропорционально по квадратичномузакону.
Для выбора ускоряющего напряжения для сварки диафрагменнойлопатки необходимо знать требуемую глубину проплавления, которая данномсоединении составляет 12 – 13 мм. При этом необходимо учитывать, что сваркабудет производиться на установке «Луч-4», обладающей определенными рамками повыбору данного параметра режима.
Основываясь наэтих данных и используя графическую зависимость глубины проплавления отускоряющего напряжения при постоянных общей мощности и удельной мощностивыбираем Uуск = 30 кВ.
Выбор скорости перемещения электронного луча
Для определенияскорости перемещения электронного луча воспользуемся экспериментальнойзависимостью глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения(см. рис. 6).
Из предыдущегопункта известно, что ускоряющее напряжение равно 30 кВ. Следовательно, можноопределить скорость сварки (рис. 13).
Н, мм/>/>/>/>/>/>/>
/>30/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>10
/>0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с
Рис. 13.Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения U = 30 кВ.
Таким образом,принимаем Vсв = 0,3 см/с или равным 20 см/мин.
Выбор тока луча
В исследовательской части работы приведена зависимость величины сварочноготока от толщины соединяемых деталей из стали 12Х13 при трех разных скоростяхсварки: 1 – V= 10 см/мин, 2 – V = 20 см/мин, 3 – V = 30 см/мин (рис. 3).В нашем случае, для сварки диафрагменной лопатки, используется V = 20 см/мин (рис. 14).Другие параметры сварки при этом остаются постоянными (ток фокусировки – Iф, ускоряющее напряжение– Uуск, и рабочая длина).
По результатам выбора принимаем Iсв = 100 А. Возможностиустановки «Луч – 4» позволяют получить такой ток, что не противоречит
3-ему условию по подбору параметров.
Увеличить вероятность правильного выбора сварочного тока можнопутем использования еще одной зависимости (см. рис. 5). Как и предыдущая,она показывает зависимость величины сварочного тока от толщины соединяемыхдеталей из нержавеющей стали, но при постоянном значении напряжения и скоростисварки (рис. 15).
Все этизависимости справедливы при давлении в рабочей камере 5*10-5 мм рт. ст.Следует помнить, что степень разряжения влияет на рассеяние луча, а значит и нагеометрические характеристики шва.
Таким образом,подтвердилась зависимость глубины проплавления от мощности сварки, в которойпроисходит одновременное увеличение обоих параметров.
Выбор рабочего расстояния
Рабочее расстояние – расстояние от центра фокусирующей системы доповерхности свариваемой детали или просто – расстояние пушка – деталь.
Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенноувеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и приэлектронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением, а при сваркедиафрагменной лопатки оно таким и является.
При одинаковойпогонной энергии на различных рабочих дистанциях пушки и при постоянной степенифокусировки DIф= 0 площади проплавления являютсяэквивалентными. Таким образом сохраняется неизменность формы проплавления наразличных рабочих дистанциях электронной пушки, находящихся в расчетных(паспортных) пределах для данной электронно-оптической системы.
Принимаем рабочее расстояние от пушки до изделия равным 100 мм.
Выбор тока фокусирующей системы Iф
Для нахождения численного значения тока фокусирующей системы Iф,рассмотрим графическую зависимость на рис. 16.
/>Iф, мА
/>180
/>
/>140
/>
/>/>100
/>
/>60
/>Iф=f(l)
/>
/>
0 25 50 75 100 125 150 l, мм
Рис. 16. Изменение тока фокусировки Iф электроннолучевойустановки типа Луч-4 в зависимости от расстояния lот объекта обработки дляслучая U= 30 кВ = const;
Зная рабочее расстояния, можно найти ток фокусировки. Т.о. Iф= 100 мА.
Итоги выбора параметров
В результате подбора основных параметров получены следующие численныезначения:
Uуск = 30 кВ,
Iсв = 100 мА,
Iф = 100 мА,
L= 100 мм,
Vсв = 20 см/мин,
Частота колебаний – 300 Гц.
Перед внедрением их в производство (перед занесением в маршрутнуюкарту) следует провести сварку образцов – свидетелей с соответствующими испытаниями.После этого возможна их корректировка, целью которой должно быть улучшениекачества сварного соединения.
6.Характеристика источника питания установки аргонодуговой сварки
Выпрямитель универсальный для сварки неплавящимся электродом моделиВСВУ-400 предназначен для питания установок автоматической, полуавтоматическойи ручной электродуговой сварки обычной и сжатой, непрерывной и импульсной(пульсирующей) дугой, жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов варгоне.
Основныепараметры.
1. Номинальныйсварочный ток при ПВ = 60% и длительности цикла 60 мин, Iном = 400 А.
2. Диапазонрегулирования Iсвпри непрерывной сварке, ток импульсный – при импульсной сварке, Iсв = 5+10% – 400+10%.
3. Диапазонрегулирования Iдежурного,Iдеж = 5+10% – 100+10%.
4. Напряжениехолостого хода, Uх.х.= не более 100 В.
5. Номинальноерабочее напряжение, Uном= 30 В.
6. Потребляемаямощность, Р – не более 21 кВА.
7. Номинальноенапряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, Uном= 380+10%.
8. ВАХисточника питания – падающая.
7.Технологический процесс. Изделие – лопатка диафрагменная
0000Заготовительная.
Доставить насварочный участок поковки.
0005Подготовительная.
Места сваркии околошовную зону на расстоянии 20 мм протереть бязью, смоченной в спирте(ацетоне) и отжатой.
0010Контрольная.
Визуальныйтехнический контроль качества обезжиривания.
0015Сборочно-сварочная.
Установить всборочное приспособление лопатку (поз. 1) и прижать вставку (поз. 2) к лопаткеэксцентриковым зажимом. Зазор между вставкой и лопаткой не более 0,2 мм.Вставка смещена относительно лопатки на расстояние 10 мм по узкой стороне(см. чертеж).
Использоватьисточник питания – выпрямитель ВСВУ-400, редуктор АР-40, горелку РГА-400,ротаметр РС-3. Прихватить детали поз. 1 и поз. 2 в местах стыка ручной аргоно –дуговой сваркой: длина прихваток – L=10 мм, количество прихваток – 6 шт.Прихватки выполнять от центра к краям. Iсв=70 А, Uсв=8–12 В, Св – 08Г2С Æ2 мм, прямаяполярность, расход газа Q=6–8 л/мин.
0020Маркирование.
Маркированиеударом (по ТТ чертежа).
Использоватьнабор клейм, молоток слесарный.
0025Контрольная.
Техническийконтроль сборки под ЭЛС. Использовать набор щупов №2, измерительную линейку.Проверить зазор между деталью поз. 1 и поз. 2; в профильной полости зазор более0,1 мм не допускается, зазор в стыке не более 0,2 мм.
Проверитьнеплоскостность вставки, допустимая неплоскостность 0,2 мм.
Внимание!
Собраннаяпартия лопаток не должна пролеживать до сварки более 3-х дней. В процессесварки лопатки должны быть укрыты полиэтиленовой пленкой или бумагой.
0030Подготовительная.
Произвестизамеры силового магнитного поля лопатки, собранной под ЭЛС. Прибор FSM – 1.
Произвестиразмагничивание лопатки перед ЭЛС. Допустимая намагниченность составляет 1–2А/см. Использовать стенд для размагничивания 0861 – 5467.
Поместить 7лопаток в приспособление, предварительно удалив прижимную планку.
0035Сварочная.
Электронно-лучеваясварка на ЭЛУ «Луч – 4». Заварить лопатку электронно-лучевой сваркой спараметрами:
Iсв=100 мА,
Iф =100 мА,
Vсв=20 см/мин,
Uуск=30 кВ,
Частотаколебаний 300 Гц,
Lраб=100 мм.
Сваркуначинать с широкой части торца. Одновременная загрузка в камеру – 7 лопаток(см. приспособление). На концах вставок допускается непровар 5 мм,образованный резким уменьшением сварочного тока. Выполнение разглаживающегопрохода не допускается.
0040Термическая.
Отпуск.Снятие сварочных напряжений.
/>/>/>/>Т, 0С 700
/>/>t, с
Использоватьэлектрическую печь KS-1300.
0045Слесарная.
Зачистить усилениесварного шва после ЭЛС. Использовать шлифовальную машинку ИП 2009-п1,металлическую щетку. Выступание сварного шва над поверхностью планки недопускается.
0050 Правка.
Использоватьгидропресс.
1. Вырезатьпрокладки 40х30 мм, d=1,5 мм, Ст10 (для 4-х лопаток) 3 штуки.
Установитьлопатки на вставку п. 2. Замерить неплоскостность.
2. Установитьс подгонкой по месту под лопатку прокладки. Произвести рихтовку лопатки дляполучения неплоскостности вставки до 0,7 мм согласно чертежу. Рихтоватькаждую лопатку 3 раза.
3. Послерихтовки 4-х лопаток повторно вырезать прокладки и произвести рихтовку.
0055Контрольная.
Техническийконтроль геометрических размеров изделия. Набор щупов №2.
Установитьлопатку на разметочную плиту. Положить на нее мерительную линейку. Проверитьнеплоскостность. Допустимая неплоскостность не более 0,7 мм.
0060Подготовительная.
Подготовитьповерхность подреза для сварки. Использовать пневмо – мех. щетку и машину шлифИП 2009-п1. Зачистить дефектную поверхность до чистого металла: Lшва=0,3 м, глубина 1 ммили отдельные поры в кол-ве 6 штук длиной 2,5 мм.
Обезжиритьповерхность, обработав ее бязью, смоченной в спирте (ацетоне) и отжатой.
0065Сварочная.
Подваритьоставшиеся подрезы после ЭЛС. Использовать источник питания – выпрямитель ВСВУ-400,редуктор АР-40, горелку РГА-400, ротаметр РС-3. Осуществлять ручной сваркойнеплавящимся электродом в среде аргона. Iсв=100 А, Uсв=10–14 В, Св – 04Х19Н11М3Æ2 мм, прямая полярность, расход газа Q=6–8 л/мин. Присварке не допускать перегрева металла.
0070Слесарная.
Зачиститьусиление сварного шва после ручной сварки неплавящимся электродом в средеаргона. Использовать шлифовальную машинку ИП 2009-п1, металлическую щетку.Выступание сварного шва над поверхностью лопатки не допускается.
0075Контрольная.
1. Внешнийосмотр – 100%.
2.Ультразвуковая дефектоскопия – 100%.
Дляультразвукового контроля использовать дефектоскопы УД-2 или ДУК-13ИМ.
Заключение
Дляизготовления диафрагменной лопатки паровой турбины выбрана высокохромистаяжаропрочная сталь мартенситно-ферритного класса сталь 12Х13. Данный материалобеспечивает высокую технологичность изделия, по сравнению с другимиматериалами. Выбор производился с учетом экономических и технологических(химическая и механическая характеристики) факторов оценки. Учитывая экономическийфактор данной задачи, сталь 12Х13 является одной из самых дешевых в своемклассе высокохромистых сталей, т. к. чем выше степень легирования, темвыше цена стали и степень ее распространенности в промышленности.
Для сваркидиафрагменной лопатки из стали 12Х13 был выбран способ с использованиемэлектронного луча. Это объясняется рядом достоинств ЭЛС при сварке этих сталей:
1. Минимальная деформациясвариваемого изделия, т. к. поток электронов внедряется в свариваемоеизделие на всю глубину проплавления, что обеспечивает получение минимальнойметаллоемкости сварочной ванны.
2. Высокие физико-химическиехарактеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключитьпоследующую механическую обработку.
3. Относительно высокаяпогонная энергия при сильной степени ее концентрации, т.е. энергия, вводимая вучасток сварного соединения за определенный промежуток времени. При этомдостигается высокая скорость кристаллизации металла сварного шва и минимальноетермическое воздействие сварочного нагрева на основной металл в ОШЗ (локальностьсварочного нагрева).
Все этиположительные стороны ЭЛС с сочетанием правильно подобранных параметров режимасварки помогают достичь наилучшего качества сварного соединения.
Выборпараметров режима ЭЛС производился на основе детального теоретического иэкспериментального анализа каждого из них. Выявление закономерностей влияниянекоторых из параметров на геометрические характеристики сварного соединенияпомогло максимально исключить возможность появления в нем дефектов.
Литература
1. Волченко В.Н. Справочник.Сварка и свариваемые материалы, т. 2. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана,1998.
2. Арзамасов В.И., Мухин Г.Г.и др. Материаловедение. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.
3. Рыкалин Н.Н., Углов А.А.,Зуев И.В. Справочник. Электроннолучевая обработка материалов. – М.:Машиностроение, 1981.
4. Акулов А.И., Бельчук Г.А. Технологияи оборудование сварки плавлением. – М.: Машиностроение, 1977.
5. Башенко В.В. Электронно-лучевыеустановки. – М.: Машиностроение, 1972.
6. Шиллер З., Гайзиг У.,Панцер З. Электроннолучевая технология. – М.: Энергия, 1980.
7. Лившиц Л.С. Металловедение.– М.: Машиностроение, 1979.
8. Степанов В.В. Справочниксварщика. – М.: Машиностроение, 1982.
9. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Справочник.Машиностроительные стали. – М.: Машиностроение, 1992.